electroscopio nestle
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Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 1
Índice
Índice 1 Resumen 2
Problema 2
Marco teórico 3 Fuerza de fricción por rodamiento 3 Electrostática 3 Carga eléctrica 3 Carga por fricción 4 Materiales: conductores, semiconductores y aislantes 4 Serie triboeléctrica 4 Conducción e inducción 5 Electroscopio 5 Algunas máquinas electrostáticas 6
Objetivos 7
Hipótesis 7
Desarrollo 7 Diseño del sistema 7 Materiales 8 Elaboración de electroscopios 9
Elaboración de soportes 9 Montaje del sistema 10 Experimentación 10
Resultados 11
Análisis e interpretación de resultados 13
Conclusiones 13 Beneficios para el alumno 14
Referencias 15
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 2
Área. Física Categoría. Local
Modalidad. Investigación experimental o de campo
Carga eléctrica por fricción
Resumen
En el presente proyecto se propone un nuevo experimento para comprobar la existencia de los dos tipos de carga eléctrica, por medio del proceso de transferencia de carga por frotación.
En el desarrollo del proyecto se demuestran los siguientes conceptos de electricidad:
Existencia de dos tipos de carga eléctrica Transferencia de carga Principio de conservación de la carga Propiedades de materiales aislantes y conductores
Se diseñó y construyó un sistema que produce la separación de carga eléctrica a partir de la fricción ejercida por el rodamiento de balines de acero a lo largo de un tubo de pvc, confirmándolo con ayuda de dos electroscopios elaborados por los propios autores y ajustados al mismo sistema.
Con el sistema propuesto se confirmaron las propiedades de los materiales conductores y aislantes. Aislantes para soportar al sistema e impedir una puesta a Tierra, y conductores que permitieron la lectura de la carga en los electroscopios.
El proyecto abarca meramente demostraciones cualitativas, haciendo de ellas una manera sencilla, clara y efectiva de entender los conceptos básicos de la electricidad.
Problema
Es difícil para un alumno de bachillerato, que en general está únicamente familiarizado con la mecánica clásica, entender un tema tan complejo como lo es la electricidad.
Las demostraciones realizadas por las máquinas posteriormente mencionadas, en su uso didáctico, no son tan claras para el alumno de bachillerato promedio.
Para ello deseamos desarrollar una nueva variante para la demostración de los principios básicos de electricidad para lograr un mejor entendimiento sobre este tema.
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 3
Marco teórico
Fuerza de fricción por rodamiento
La fuerza de fricción por rodamiento aparece cuando el cuerpo que rueda o la superficie sobre la que rueda, o ambos a la vez, se deforman ligeramente debido a las grandes presiones existentes en los puntos de contacto. En una rueda, todo su peso gravita sobre una pequeña superficie de contacto existiendo una gran presión; la superficie, el cuerpo que rueda o ambos se deforman, aumentando el área de contacto hasta que la presión disminuye y se restablece una situación de equilibrio.
Electrostática
La electrostática es el estudio de las cargas eléctricas en reposo. Fue Thales de Mileto (640 a 548 a.C.) quien descubrió que un trozo de ámbar frotado con un paño o una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos. Siglos después, William Gilbert (1544-1603) descubrió que al frotar ámbar y acercarlo a otros materiales, éstos eran atraídos o repulsados por el ámbar. Encontró así una fuerza que se presentaba únicamente después de haber frotado el material, siendo esta fuerza no la gravedad, sino la electricidad.
Carga eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia, está
asociada con partículas que constituyen el átomo: el electrón y el protón. De acuerdo con el modelo atómico de Bohr, los electrones se consideran como partículas en órbita alrededor de un núcleo que contiene la mayoría de la masa del átomo en protones y partículas neutras llamadas neutrones. La fuerza que mantiene a los electrones en órbita alrededor del núcleo es la fuerza eléctrica.
La carga eléctrica distingue dos nominaciones: positiva (+) y negativa (-). Los
protones llevan una carga positiva, mientras que los electrones una negativa. Las diferentes combinaciones de los tipos de carga producen fuerzas eléctricas atractivas o repulsivas, cuyas direcciones están dadas por el siguiente principio:
Ley de las cargas. “Cargas iguales se repelen y cargas desiguales se atraen.”
Esto es, dos partículas cargadas negativamente o dos partículas cargadas positivamente se repelen entre sí, mientras que dos partículas con cargas contrarias se atraen. Las fuerzas repulsiva y atractiva son de igual magnitud y opuesto sentido, y actúan sobre objetos diferentes, de acuerdo a la tercera ley de Newton.
Cuando existe una transferencia de electrones de un cuerpo a otro se dice que el cuerpo se carga. Esto se puede realizar por frotamiento, contacto o inducción.
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 4
Carga por fricción
Cuando dos materiales particulares se frotan entre sí, un material transfiere electrones al otro, quedando un exceso de electrones en uno, y una deficiencia de electrones en otro. Ilustrando así la ley de la conservación de carga eléctrica:
Ley de la conservación de la carga “La cantidad total de carga en un sistema aislado permanece constante.”
El objeto que tenga entonces un exceso de electrones está cargado negativamente, y el objeto que tenga una deficiencia de electrones está cargado positivamente. En todo proceso de carga, ésta no se crea ni se destruye, simplemente se transfiere de un cuerpo a otro. Las partículas únicamente son creadas o destruidas en pares con cargas iguales y de signo contrario.
La transferencia de carga se debe al contacto de los materiales, y la cantidad de carga transferida depende de la naturaleza de los materiales implicados.
Materiales: conductores, semiconductores y aislantes
Conductores. Materiales, como los metales, que tienen la capacidad de transferir carga eléctrica a otro cuerpo. En estos materiales, los electrones de valencia de los átomos, están débilmente ligados; como resultado se desprenden fácilmente del átomo y poseen la capacidad de moverse por todo el material, e incluso de abandonarlo.
Semiconductores. Materiales con capacidad de conducir carga intermedia entre los conductores y aislantes.
Aislantes. Materiales como la seda, el vidrio o el azufre, que se resisten al flujo de carga eléctrica. A diferencia de los conductores, los electrones de valencia de los materiales aislantes están fuertemente ligados y es difícil removerlos de sus átomos. Así, la carga no se mueve con facilidad ni se pueden remover fácilmente electrones.
Serie triboeléctrica 1
Triboelectricidad o efecto triboeléctrico se le llama también al proceso de carga por fricción. El prefijo tribo- se refiere al verbo frotar.
La serie triboeléctrica es una tabla en la que se clasifican los materiales en función
de su capacidad de conservar o ceder electrones después del proceso de fricción. En el extremo rojo de la tabla están ubicados de forma ordenada los materiales que al frotarse con otro cuerpo, adquieren una carga positiva, y en el extremo azul se encuentran los materiales que adquieren carga negativa.
1 Triboelectric series: http://www.siliconfareast.com/tribo_series.htm
Carga eléctrica por fricción
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aire
piel humana
asbesto
piel de conejo
vidrio
cabello humano
mica
nylon
lana
plomo
seda
aluminio
papel
algodón
acero
madera
cera
ámbar
globo de goma
goma dura
níquel
cobre
plata
latón
oro
platino
azufre
acetato
poliéster
poliestireno
acrílico
celofán
poliuretano
polietileno
polipropileno
vinilo cloruro de polivinilo pvc
silicio
teflón
silicona
ebonita
Al frotar dos materiales, el índice de carga, es mayor mientras más lejanos se
encuentran los materiales en la lista.
Conducción e inducción
La conducción se refiere a la transferencia de carga durante el corto periodo en que existe un contacto entre los materiales.
La denominada “puesta a Tierra” es un ejemplo de carga por contacto (o “descarga por contacto”), en el cual un conductor cargado se pone en contacto con la Tierra dando lugar a una trayectoria para que los electrones puedan escapar del conductor hacia la Tierra, un depósito infinito de carga.
La inducción se refiere al flujo de carga que existe cuando dos cuerpos se encuentran cercanos sin contacto alguno; un cuerpo puede orientar en el otro una carga de signo opuesto, sin perder algo de su propia carga.
Electroscopio
El electroscopio es un dispositivo que se basa en las propiedades de materiales conductores para demostrar las características de la carga eléctrica de un cuerpo. El electroscopio más sencillo consta de una bola y una barra metálica
más positivo
sin carga
más negativo
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 6
conductora con un par de hojas metálicas, generalmente de oro o aluminio, colgadas de un extremo. Cuando se presenta un exceso de carga sobre el
ensamble de la barra y las hojas, éstas adquieren la misma carga y se balancean debido a la repulsión de las cargas iguales. Si las hojas se hacen muy ligeras, se consigue que el electroscopio sea sensible a pequeñas cantidades de carga.
Algunas máquinas electrostáticas
Máquina de Hauksbee (1705) 2 Francis Hauksbee
construyó la primera máquina eléctrica a partir de fricción. Constaba de una esfera de vidrio que daba vuelta por medio de una manivela. La esfera era capaz de producir chispas al frotarse, y hacer que hilos ligeros se apartasen unos de otros, lo que demostraba la capacidad que adquirían estos materiales tanto para repeler como para atraerse entre ellos.
Máquina de Wimshurst (1883) 3 Inventada por
James Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje. Posee dos grandes discos a contra-rotación montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Basándose en el efecto triboeléctrico.
Generador de Van de Graaff (1929) 4 El generador de Van
de Graaff es un generador de corriente constante; consiste en una cinta transportadora de material aislante motorizada, que transporta carga a un terminal hueco. La carga es depositada en la cinta por frotamiento a través del efecto triboeléctrico.
Dentro del terminal, la carga es recolectada por una varilla metálica que se aproxima a la cinta. La carga, transportada por la cinta pasa finalmente al terminal esférico nulo.
Existen factores que dificultan la observación de los fenómenos electrostáticos: la humedad y la limpieza de los materiales en contacto. La
humedad hace que el aire presente una mayor conductividad eléctrica permitiendo que las partículas cargadas se “escapen” de la superficie de los objetos descargándose éstos rápidamente.
2
Máquina de Hauksbee: Jones, E; Childers, R; (2001), Física contemporánea 3
Máquina de Wimshurst: http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_Wimshurst 4
Generador de Van de Graaff http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaff
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 7
Objetivos
1. Demostrar la producción simultánea de cargas en un sistema debido a la
fricción ejercida por el rodamiento de balines de acero en un tubo de pvc. 2. Demostrar las propiedades de los materiales aislantes utilizados en el
sistema; así como las propiedades de materiales conductores, aluminio y cobre, en la lectura de las cargas.
3. Demostrar que dichas cargas son de igual magnitud pero de signo opuesto.
Hipótesis
1. Al arrojar los balines al embudo, el tubo de pvc se cargará por la fricción
ejercida durante el recorrido de los balines; a su vez los balines también se cargarán debido al roce que existió entre ellos y el tubo.
2. Los soportes impedirán una puesta a Tierra. 3. Un electroscopio detectará la carga del tubo y el otro la de los balines, y
ambas cargas serán de igual magnitud pero signo opuesto.
Desarrollo
Diseño del sistema
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 8
Materiales
Material para el sistema Material para electroscopios
Material para soportes Otros
Cantidad Material
150 cm tubo de pvc
(1/2 „‟)
1 rollo de papel
aluminio
500g municiones o
balines de acero
(3mm)
1 embudo
2 codos de pvc 90°
(1/2 „‟)
2 electroscopios
2 soportes de
material aislante
Cantidad Material
2 envases de vidrio
1 varilla roscada galvanizada
4 arandelas cuadradas
(diámetro de la varilla)
1 m alambre de cobre
4 papel aluminio (4x.5cm)
5 hojas de
aluminio para
repujado
1 envase de
aluminio
Cantidad Material
2 hojas de acrílico (3mm
grosor)
tijeras
pinzas
segueta
pegamento para pvc
regla
balanza
vaso
taladro
escalímetro
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 9
Electroscopio #1
Elaboración de electroscopios
1. Cortamos la varilla de hierro con una segueta en dos más pequeñas adaptándolas a un tamaño adecuado a los frascos de vidrio.
2. En un extremo de la varilla colocamos alambre de cobre con ayuda de pinzas, rodeándola y formando pequeños ganchos para colocar los pedacitos de papel aluminio, uno en cada gancho, dos ganchos por varilla. Esto se hizo en ambas varillas.
3. Utilizamos las hojas de aluminio para repujado, y las perforamos en el centro
para meter una de las varillas y la afianzamos con 2 arandelas. Doblamos las hojas de aluminio en una forma rectangular. Constituyendo así el electroscopio #1.
4. Para el electroscopio #2, se afianzó la otra varilla al envase de aluminio, de la misma manera que para el electroscopio #1.
Elaboración de soportes
1. Cortamos las hojas de acrílico con las medidas siguientes. 2. Las perforamos con un taladro y cortamos 5cm por debajo de su extremo
superior. 3. Con el resto del acrílico, cortamos dos cuadrados y los pegamos como bases
a las hojas ya perforadas y cortadas.
Electroscopio #2
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 10
Montaje del sistema
1. En el extremo superior del tubo pegamos, con el pegamento para pvc, un codo de 90° con su extremo a 90° sobre la horizontal.
2. Colocamos un embudo en el codo del extremo superior del tubo. 3. En el extremo inferior del tubo pegamos, con el pegamento para pvc, un
codo de 90° con su extremo a 90° bajo la horizontal. 4. Sujetamos el tubo a los dos soportes de acrílico, formando así un ángulo de
8° aproximadamente sobre la horizontal. 5. Forramos el tubo de pvc en su parte media con papel aluminio.
6. Colocamos el electroscopio #1 debajo del tubo, de tal manera que el forro del tubo y las hojas de aluminio para repujado estuviesen en contacto.
7. Finalmente, colocamos el electroscopio #2 debajo del codo del extremo inferior del tubo para recibir a los balines.
Experimentación
Día Viernes 19 de marzo de 2010
Hora 10:52 a.m.
*Estado del cielo despejado
*Temperatura 22° C
*Humedad 14%
*Resumen de datos para la Ciudad de México consultados en http://clima.prodigy.msn.com el 19 de marzo de 2010 a las 10:23 a.m.
10 cm 10 cm
68 cm
54 cm
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 11
1. Colocamos los balines en un vaso y los pesamos en una balanza. 2. Vaciamos en el embudo 300g de balines
3. Vaciamos en el embudo 400g de balines 4. Vaciamos en el embudo 500g de balines
En cada caso de los anteriores 5. Medimos con un escalímetro la abertura de los pedacitos de papel. 6. Con ayuda de un alambre de cobre, conectamos ambos electroscopios.
Resultados
Al lanzar los balines por el embudo, éstos empezaron a rodar a lo largo del tubo, existió entonces una fuerza de fricción por rodamiento, un roce tanto entre los balines y el tubo, como entre los balines mismos. Al terminar el recorrido de los balines, éstos cayeron en el envase de aluminio del electroscopio #2. La carga se transfirió de los balines al envase, del envase a la varilla, de la varilla al alambre de cobre, y del alambre de cobre a los pedacitos de aluminio. Entre los pedacitos de aluminio se produjo una fuerza de repulsión que proporcionó la lectura de la carga en el electroscopio #2. A su vez, el tubo también quedó cargado, la transferencia de carga se llevo a cabo del tubo al papel aluminio que lo envolvía. Del papel aluminio, la carga se transfirió a las hojas de aluminio para repujado del electroscopio #1, de éstas a la varilla, de la varilla al alambre de cobre y del alambre de cobre a los pedacitos de aluminio, repitiendo el mismo recorrido que en el electroscopio #2.
De acuerdo a la cantidad medida en gramos de balines que lanzamos, se obtuvieron las siguientes aberturas en los electroscopios:
Cantidad de balines (g)
Abertura de electroscopios (cm)
Electroscopio
#1
Electroscopio
#2
300 1.2 1.4
400 1.7 1.9
500 1.8 2.1
Carga eléctrica por fricción
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Electroscopio #1 Electroscopio #2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
300 400 500
ab
ert
ura
de
ele
ctr
osc
op
ios
(cm
)
cantidad de balines (g)
Electroscopio #1
Electroscopio #2
Lectura de la carga de 400g de balines
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 13
Al conectar los electroscopios se observó que éstos ya no realizaban ninguna lectura, las hojas de aluminio regresaban a su estado original.
Análisis e interpretación de resultados
La transferencia de carga siguió en todo momento una trayectoria a través de los materiales conductores del sistema, ilustrando así la propiedad de estos materiales para permitir el flujo de carga. La carga del tubo se transfirió al papel aluminio y no a los soportes, pues éstos fueron hechos de un material aislante, ilustrando entonces su propiedad de impedir el libre flujo de carga. Gracias a ello se evitaron una puesta a Tierra y el fracaso del sistema. Entre los pedacitos de aluminio, tanto del electroscopio #1 como del electroscopio #2, se produjo una fuerza repulsiva. Esto se debió a que los pedacitos estaban juntos y poseían, debido a la transferencia de carga, la misma carga con mismo signo. Mientras más balines agregábamos, mayor era la abertura de los electroscopios,
esto fue porque existían más choques entre ellos y la fricción era mayor. Cada vez que arrojamos los balines, se pudo apreciar que la abertura de ambos electroscopios era semejante; siempre el electroscopio #2 detectaba una carga mayor que el electroscopio #1, pero la diferencia no era muy grande. Al unir ambos electroscopios, éstos dejaron de tomar lectura, mostrando así que las cargas eran opuestas y aproximadamente iguales.
Conclusiones
1. Se comprobó que la hipótesis número 1 fue verdadera. El tubo de pvc se
cargó por la fricción ejercida durante el recorrido de los balines, y éstos también se cargaron debido al roce que existió entre ellos y el tubo.
2. Los soportes al ser de acrílico, impidieron una puesta a Tierra, comprobando así la hipótesis número 2.
3. El electroscopio #1 detectó la carga del tubo, mientras que el electroscopio #2 detectó la carga de los balines y se comprobó que dichas cargas eran aproximadamente iguales pero de signo opuesto.
Con el proyecto se demostraron las propiedades de los materiales aislantes utilizados en el sistema; así como las propiedades de materiales conductores que intervinieron en la lectura de las cargas.
Es mejor realizar esta experiencia en días secos y despejados.
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 14
Beneficios para el alumno
Al llevar a cabo la elaboración de este proyecto, entendimos mucho mejor el concepto de transferencia de carga a través de los materiales utilizados en su construcción.
La búsqueda de materiales ideales para el sistema fue el mayor reto, pues no fue suficiente basarnos en la serie triboeléctrica, sino que tuvimos que probar con distintos materiales como lo fueron balines de plástico, de plástico cubierto y manguera en lugar del tubo de pvc, y la realización de estas pruebas y errores enriqueció la comprensión del tema. A su vez, la construcción de los electroscopios nos permitió conocer y entender aún más las propiedades de los materiales conductores.
Concluimos que la realización del experimento propuesto permite al alumno introducirse en el tema de electricidad, puesto que logra de una manera clara demostrar los principios básicos de electricidad. Constituye una gran herramienta para la explicación del proceso de carga por frotamiento o roce entre materiales, de la transferencia de carga y de las propiedades de materiales aislantes y conductores.
Carga eléctrica por fricción
Por: Sócrates 15
Referencias Bibliografía: Jones, E; Childers, R; (2001), Física contemporánea, Editorial McGraw-Hill, México, pp. 495-505. Sears, F; Young, H; Zemansky, M; (2004), Física Universitaria, Editorial Pearson Educación, México, pp. 792-826. Tippens, P; (1987), Física: Conceptos y Aplicaciones, Editorial McGraw-Hill, México,
pp. 589-601. Wilson, J; Buffa, A; Lou, B; (2007), Física, Editorial Pearson Educación, México, pp. 505-529. URL: Triboelectric series: positive and negative charging materials http://www.siliconfareast.com/tribo_series.htm (página web citada el 1 de marzo de 2010) Máquina de Wimshurst http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_Wimshurst (página web citada el 2 de marzo de 2010) Generador de Van de Graaff http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaff
(página web citada el 2 de marzo de 2010) Consulta del clima http://clima.prodigy.msn.com (página web citada el 19 de marzo de 2010)